JP2509255B2 - 光導波体で構成部材の変形を監視する方法並びに該方法を実施する光導波体及びその製法 - Google Patents

光導波体で構成部材の変形を監視する方法並びに該方法を実施する光導波体及びその製法

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JP2509255B2 JP62258491A JP25849187A JP2509255B2 JP 2509255 B2 JP2509255 B2 JP 2509255B2 JP 62258491 A JP62258491 A JP 62258491A JP 25849187 A JP25849187 A JP 25849187A JP 2509255 B2 JP2509255 B2 JP 2509255B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、少なくとも構成部材の長さの一部分に該構
成部材と固定結合されており、かつ光導波体の透過性及
び光導波体を貫通して送られる光パルスの走行時間及び
／又は減衰を常時及び／又は間欠的に検査する測定装置
に接続された光導波体を用いて構成部材の変形を監視す
る方法に関する。
従来の技術 機械又は建築物内の構成部材の破壊もしくはその他の
トラブルの予兆である変形を早期に確認するために、機
械類及び乗り物、特に飛行機の部品、更に又建築構造物
の部材を光導波体を用いて監視することは公知である。
この場合使用される光導波体は、繊維複合体、例えばGF
Kから成る保護ジャケット内に埋設された、高い屈折率
を有する石英ガラスから成る１本以上の極めて細い光フ
ァイバから成る。光導波体の長手方向での伸びは、光フ
ァイバを貫通して送られる光パルスのための減衰効果を
惹起する光ファイバの横方向の収縮をもたらす。この減
衰効果は光ファイバの伸びに関する１つの尺度である。
光ファイバの弾性限界を越えると、光ファイバの裂断を
生じ、該光ファイバは光パルスを伝送しないだけでな
く、反射する。光導波体のもはや存在しない透過能力及
び測定装置によって測定された光伝送時間から、破断箇
所から測定装置もしくは光導波体の終端部までの距離を
測定することができる。
引張負荷を受ける構成部材を監視する場合に、光導波
体を監視すべき構成部材の外側に接着するか又は光導波
体を構成部材中に埋設することは公知である（ドイツ連
邦共和国特許出願公開第2937824号明細書）。その際に
は、光導波体の始端部及び終端部を光透過検出装置と接
続し、該検出装置で光導波体を透過する光ビームの透過
性及び光導波体内での光ビームの減衰を監視する。
これらの公知方法及び公知光導波体を用いると、引張
応力だけが発生するような構成部材のみを確実に監視す
ることができるにすぎない。それに対して、横断面に亙
って分布した、種々異なった応力状態を有する構成部材
の監視は不可能である。このような構成部材は、例えば
引張及び圧縮及び／又は曲げ負荷を受けかつ構成部材の
全長に亙って横断面に種々の応力状態が発生する、建築
物の部材である。即ち、公知の光導波体は、光ファイバ
の光伝送性は又長手方向の圧縮力の作用を受けると、即
ち光ファイバが圧縮作用を受けると変化するという特性
を有する。その際、光導波体がその全長で、引張応力及
び圧縮応力を有する範囲が変化する構成部材と結合され
ていれば、構成部材に固定された光導波体も又局所的に
伸びかつ局所的に圧縮される、この場合伸びによっても
又圧縮によっても光ファイバに、ファイバ内にもはや一
定の応力に対応させることのできない減衰を惹起する力
が及ぼされる。
公知の監視法及び光導波体は、時間に依存する変形、
例えば収縮又は荷重の下でのクリープに曝されるような
構成部材においても正確な監視を行うことはできない。
荷重を受けた状態で又は簡単にその体積の減少により時
間の経過と共に短縮するような構成部材でも、該構成部
材と固定結合された光導波体には、誤り測定をもたらす
圧縮作用が及ぼされる。
発明が解決しようとする問題点 従って、本発明の課題は、変化する又は増大する応力
又は時間に依存する変形に曝される構成部材を光導波体
で監視する方法を提供することであった。更に、本発明
のもう１つの課題は、このような目的のために使用可能
な光導波体を提供することであった。
問題点を解決するための手段 前記課題は、特許請求の範囲に記載の手段及び特徴に
よって解決された。
発明の作用及び効果 光導波体にそれを構成部材と結合する前にプレストレ
スを与えることによって、監視すべき構成部材の伸びだ
けでなく、又圧縮も測定可能にすることができる、それ
というのもこれらの現象は、光ファイバの定義可能な減
衰変化を惹起する光ファイバのプレストレスの減少とし
てのみ現出するからである。この場合には、このプレス
トレスの減少が何によって惹起されたかということは問
題ではない。従って、本発明による光導波体は、例えば
建築物の連続けたにおいて生じるような、構成部材の全
長に亙って圧縮帯域と引張帯域とが交互する構成部材を
監視することができるだけでなく、時間に依存する変形
に曝されるような構成部材、例えば収縮だけでなく、そ
のプレストレスの下で又クリークするプレストレスドコ
ンクリート部材を監視するために使用することができ
る。更に、プレストレスを与えた光導波体は、機械部
品、例えば引張及び又圧縮負荷を受ける複動ピストン又
は連接棒を監視するためにも適当である。
光導波体は構成部材に沿って直線的に又は湾曲させて
案内し、その場で機械的にプレストレスを与えかつその
後その全長で構成部材と固定結合することができる。こ
の場合には、光導波体を構成部材の外側に接着しかつ構
成部材の材料中に直接的に埋設するか、又は構成部材の
外側に取り付けられた又は構成部材の内部に敷設された
シース内を案内することが可能である。シース内に敷設
した後に、これらのシースに、構成部材との複合体が形
成されるように、光導波体をシースとその全長に亙って
固定結合する材料を注入することができる。
引張応力並びに又圧縮応力に曝される構成部材中で、
長手方向で直線的に貫通する光導波体で伸びだけを検出
するためには、光導波体を測定装置に接続する前に、光
導波体を引張帯域の範囲内だけで監視すべき構成部材と
固定結合し、但し光導波体をその他の帯域では構成部材
に対して長手方向で可動に案内するのが有利である。こ
のような配置のためには、光導波体をシース内に敷設す
るのが好ましい、この際にはシースには光導波体にプレ
ストレスを与えた後に構成部材の引張範囲内にのみ注入
する。この際には、該光導波体は引張範囲内の伸びだけ
を検出し、一方圧縮範囲内の圧縮は光導波体に作用せず
に保持される、該圧縮は測定の感度を低下させる。
測定精度は、本発明によれば、光導波体を引張応力過
程に追従させて構成部材上に又はその内部に配置するこ
とにより高めることができる。その際には、光導波体を
例えば連続けたの場合には、支柱の上の連続けたの上方
部分及び支柱の間の領域では連続けたの下方部分に敷設
しかつプレストレスド部材と同様にプレストレスを与え
た連続けた内に配置する。この場合には、光導波体をPC
鋼線と一緒にプレストレスド部材のシース内に敷設する
ことも可能である。しかし、光導波体は又別に構成部材
の内部に引張応力過程に追従してシース内に組み込むか
又は構成部材の外面、例えばはりの、機械基底又は乗り
物部品の側壁に接着することができる。
光導波体は一般に少なくとも１本の光ファイバと該光
ファイバを包囲するスリーブとから成り、該スリーブは
繊維複合素材又は有利にはプラスチック、例えばポリア
ミド又はポリウレタンから製造されていてもよい。光導
波体の組み込み及び取り扱いは、光導波体を製造する際
に既にそのスリーブに対してプレストレスを与えかつこ
のような状態で構成部材に取り付けるか又はその内部に
埋設することにより、明らかに簡易化される。その際に
は、光導波体は内部応力状態を有する、しかもプレスト
レスが与えられた光ファイバはそのスリーブに対して支
持される。その際には、光導波体はもはやその場でプレ
ストレスを与える必要がなく、その前以て製作した状態
で簡単に監視すべき構成部材に固定しかつその全長で構
成部材と結合することができる。このような、プレスト
レスド光導波体は特に有利に、そのプレストレスに基づ
きまず圧縮負荷を受けかつこの圧縮プレストレスの下で
収縮及びクリークする、プレストレスド構成部材の監視
のために使用することができる。
その光ファイバがプレストレスをもってその保護ジャ
ケットに結合された光導波体は、簡単に、スリーブを製
造する際に光ファイバが繰り出されるリールに常に制動
をかけることにより製造することができる。この手段に
より、光ファイバ内に、光ファイバの伸びが建築物によ
る光導波体の予測される圧縮を受けてもゼロより小さく
ならない程度の大きさの引張応力を発生させかつ維持す
ることができる。製造の際には、この前以て規定された
引張応力を、スリーブの繊維ストランドとのもはや剥離
不能な結合が形成されかつ光ファイバの引張応力がその
全長でスリーブに移行せしめられるまで保持する。
実施例 次に、図示の実施例により本発明の別の特徴及び利点
を詳細に説明する。
第１図及び第２図には、プレストレスドコンクリート
スラブ10が示されており、該スラブのPC鋼線11に、コン
クリート12を型枠に打ちかつ硬化させる前に、プレスト
レス床内でプレストレスを与える。PC鋼線11の間には、
光導波体13が配置されており、該光導波体はPC鋼線11に
対して平行に延びかつ該光導波体にPC鋼線と同様にコン
クリート12を打つ前にプレストレス床で機械的に、その
応力が、プレストレスドコンクリートスラブがその組み
込み後に曝されるあらゆる負荷を受けても、引張応力の
範囲内に保持される程度のプレストレスを与える。
コンクリート12の打ち及び硬化後に、PC鋼線11及び光
導波体13をそれらのプレストレス床の固定部から外し、
引き続きプレストレスドコンクリートスラブ10をその型
枠から取り出す。その際、PC鋼線11はそれらの内部に生
じた引張応力を付着摩擦結合によってコンクリート12に
伝達する、従って該コンクリートはPC鋼線11の長手方向
で圧縮プレストレスを受ける。PC鋼線11と同様に、コン
クリートの硬化後に該コンクリートとその全長で静摩擦
によって結合された光導波体も又コンクリートに支持さ
れる。
光導波体13はスラブ10の底面にPC鋼線11の間に案内さ
れており、かつそれらの端部14は測定装置15に接続され
ており、該測定装置は光パルスを光導波体13を透過して
伝送しかつ該パルスを再び受信する。
その自重及び使用荷重を受けて、プレストレスドコン
クリートスラブ10は曲げ負荷を受ける、それによりその
下側には引張応力がその上側には圧縮応力が発生する。
この外部の応力状態に、プレストレスドコンクリートス
ラブが組み込まれかつ使用荷重を受ける前に、プレスト
レスドPC鋼線からコンクリート横断面内に生ぜしめられ
かつプレトレスドコンクリートスラブ内で既に有効であ
る内部の圧縮応力が重ね合わされる。プレストレスの作
用を受けて、コンクリートはクリークを開始する、即ち
コンクリートは圧縮プレストレスの下で圧縮されかつプ
レストレスドコンクリートスラブは長手方向で短縮され
る。この場合、コンクリート内に埋設されたかつコンク
リートと全長に亙って固定結合された光導波体も又同じ
程度短縮される。しかしながら、光導波体はそれがコン
クリートによって包囲される前にプレストレスを与えら
れかつ前引張力を受けているので、光導波体の短縮は該
光導波体を包囲するコンクリートのクリークに基づき光
導波体の延びの減少がもたらされるにすぎない、この際
伸びのゼロ点を下回ることはない。従って、光導波体は
プレストレスドコンクリートスラブのクリーク変形によ
って圧縮されず、該光導波体は引張応力範囲内に保持さ
れる。その際、プレストレスドコンクリートスラブ10を
建築物内に組み込にかつ使用荷重がかかった後に、該光
導波体は、プレストレスコンクリートスラブ10が曲げ負
荷を受けかつその下側に引張応力を生じしめる使用荷重
によって惹起される、構成部材の変形を監視することが
でき、その際該変形は光導波体の伸びとして現出し、該
伸びは光導波体内での光の減衰を変化せしめ、該変化を
光学的測定装置15によって検出しかつ評価することがで
きる。
第３図及び第４図では、監視すべき構成部材は、レン
ズ形トラスとして構成されかつその下側17に光導波体18
が取り付けられ、該光導波体の両端19及び20は光学的測
定測定15に接続された、鉄筋コンクリート又はプレスト
レスコンクリートから成るＴ形ばり16である。この場合
の図示の実施例では、光導波体18にそれをＴ形ばりに敷
設した後に機械的プレストレスを与え、その後その全長
ではり16と接着した。
第５図及び第６図には、横断面が矩形の鉄筋コンクリ
ートばり21が示されており、該はりは２つの領域F1及び
F2に亙って連続ばりとして延びかつ３つの支点S1、S2及
びS3で支持されている。はり21の上側22と下側23に光導
波体24及び25が敷設され、該光導波体はそれらの左側端
部24a及び25aで相互に接続されかつそれらの左側端部24
b及び26bで光学的測定及び監視装置15と接続されてい
る。光導波体24及び25はシース26及び27内に存在し、該
シースの一方のシース26ははりの上方縁部22上にかつ他
方のシース27は下方縁部上に直線的にかつはりの長手方
向軸線に対して平行に案内されておりかつ建築物コンク
リート内に埋設されている。金属又はプラスチック又は
薄壁金属管から成っていてもよいシースは、はり21のコ
ンクリート打ち前に構成部材の型枠内に敷設しかつコン
クリートを打つ。光導波体はコンクリート打ち前又はそ
の後にシース内に引き込むことができる。コンクリート
の硬化後に、光導波体に機械的プレストレスを与えかつ
それぞれ引張応力範囲Z1、Z2及びZ3内で光導波体及びシ
ースに固着し、硬化する材料を圧入することによりシー
スと結合させる。長手方向のプレストレスをもってシー
スと固定結合された光導波体24及び25の部分は図面に
は、一点鎖線で示されており、かつこれらの光導波体は
はり21の下方縁部では領域F1及びF2の範囲内にありかつ
はり21の上方縁部では中央部の支点S2の上に存在する。
引張応力領域Z1、Z2及びZ3の外部では、光導波体24及び
25はそれらのシース26及び27内で長手方向で可動であ
る、このことは第５図には点線で示されている。長手方
向で可動な光導波体は、建築物内で引張応力が生じない
帯域内を延びている。しかし更に言及すれば、本発明に
基づき光導波体のプレストレス及び延伸の大きさが、そ
の引張負荷も又構成部材の圧縮帯域に保持される程度で
あれば、光導波体24及び25をそれらの全長でプレストレ
スを与えた後にシースと固定結合することもできる。
第７図及び第８図には、本発明は連続ばりの実施例で
示されており、この場合には光導波体は引張応力過程に
追従して構成部材内に配置されている。
第５図及び第６図に示した実施例と同様に、光導波体
30はシース31内に存在し、該シースははり32の長手方向
で波状に案内されている、従ってこれらは常にその都度
のはり横断面の引張応力帯域内に存在する。従って、シ
ース31は光導波体30と共に領域F1及びF2内ではＴ形ばり
の下方縁部の近くをかつ支点S2に上では上方縁部34の近
くを延びており、一方それらの構成部材32から外に出た
端部30a及び30bは光学的測定及び監視装置15に接続され
ている。前記実施例と同様に、この場合も又シース31を
第７図から明らかな位置でコンクリート構成部材の型枠
内に敷設しかつコンクリートを打つ。次いで、引き込ん
だ光導波体をプレストレスをかけて設置しかつその全長
で、光導波体及びシースに固着する材料をシース内に圧
入することによりシースと結合させ、そうして光導波体
と構成部材との間の結合を行う。
更に言及すれば、第３図〜第７図に示した構成部材1
6,21及び32は、これらがコンクリートから成りかつ好ま
しい応力を達成すべき場合には、長手方向のプレストレ
スをかけて設置することができる。特にこの場合には、
これらの構成部材はクリーク変形を設け、該クリーク変
形はコンクリート内に埋設された又は接着された光導波
体にも作用する、従って使用荷重状態で申し分無い監視
を保証すべき場合には、光導波体にもプレストレスを与
えることが必要となる。
第９図には、機械構造体及び乗り物構造体でしばしば
使用されるような、両端部枢着アイ36が設けられた鋼か
ら成るリンク棒35が示されてる。該リンク棒35は長手方
向で引張及び圧縮負荷を受けることができる。これらの
負荷を監視するために、棒の直径方向で向かい合った側
に該棒の長手方向で光導波体37が接着されており、該光
導波体はその一方端部37aで相互に接続されかつその他
方端部37bで光学的測定及び監視装置15と接続されてい
る。この場合使用される光導波体37は構成部材35に対し
てではなく、それ自体内にプレストレスがかけられてい
る、即ち該光導波体は固有応力状態を有する。この種の
光導波体37は第10図に示されてる。
この光導波体37は石英ガラス又は別の光導波性材料か
ら成る光ファイバ40から成り、該光ファイバは繊維複合
材料から成るスリーブ41内に埋め込まれている。光ファ
イバと繊維複合材料との間の良好な付着結合を達成する
ために、光ファイバ40の外周になお粗面を有する中間層
42又は巻き線を施すこともできる、これらは自体公知で
あるように、負荷的に光導波体が長手方向に延伸される
際のその応答感度を高める。しかしながら、本発明によ
る光導波体は公知の実施形とは異なり、光導波体40がそ
れを包囲するスリーブ41に対してプレストレスがかけら
れておりかつ軸線方向の引張応力下にその全長でスリー
ブ41と結合されているという特殊性を有する。従って、
光導波体内に内部応力状態が存在する。
第10図に示したかつ第９図のリンク棒で使用される形
式の光導波体は、光ファイバとそのスリーブとを組合わ
せる際に、光ファイバとそのスリーブを制動することに
より引張応力を発生させ、かつ該引張応力を、スリーブ
が硬化しかつ光ファイバとそれを包囲するスリーブとの
間のもはや剥離不可能な結合が行われるまで保持するこ
とにより、簡単に製造することができる。リールの制動
作用は、光ファイバのそのスリーブに対するプレストレ
スを変化させかつその都度の要求に適合させることがで
きるように、可変であるのが有利である。
こうして製造された、自体内にプレストレスを有する
光導波体は、任意の長さで貯蔵物から切り取りかつ更に
前処理することなしに、緊張せずにその都度監視すべき
構成部材に任意の、特にまた湾曲した線案内形式で固
定、例えば接着するか又はその材料内に埋設することが
できる。光導波体は１本のファイバの代わりに、同じス
リーブ内に組み込まれた数本の光ファイバを有し、これ
らの光ファイバに、同じ光導波体を種々の荷重領域のた
めに使用することができるようにするために、異なった
プレストレスを与えることもできる、この際には一方又
は他方のもしくは両者の光ファイバを光学的測定及び監
視装置に接続することができる。
本発明は、図示しかつ説明してきた実施例に限定され
るものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく、多
数の変更及び補充が可能である。例えば多数の構成部材
の光導波体を相互に接続しかつ一緒に光学的測定及び評
価装置に接続することも可能である。更に、構成部材に
対して並びに又自体内にプレストレスを有する光導波体
を、増大する又は変化する変形及び負荷に曝される乗り
物、機械類、建築物の多数の構成部材を監視するために
使用することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は支持コンクリート内に埋設された、プレストレ
スが与えられた光導波体を有する、無荷重で載設された
鉄筋コンクリートスラブの縦断面図、第２図は第１図の
II−II線に沿った部分的断面図、第３図は下側に接着さ
れた、プレストレスが与えられた光導波体を有する、無
荷重で載設されたＴ形ばりの、Ｔ形ばりとして構成され
た縁部はりの側面図、第４図は第３図のIV−IV線に沿っ
た断面図、第５図ははりの内部に敷設された光導波体を
有する、２つの領域に亙って延びる形連続ばりの側面
図、第６図は第５図のVI−VI線に沿った断面図、第７図
はシース内に敷設された、プレストレスが与えられた光
導波体を有するプレストレスドコンクリートから成る、
２つの領域に亙って連続するＴ形はりの縦断面、第８図
は第７図のVIII−VIII線に沿った断面図、第９図は互い
に向かった側で外周で接着された２つの光導波体を有す
る、機械又は乗り物構造体で使用可能な鋼から成るリン
ク棒の側面図、及び第10図は本発明によるプレストレス
を与えた光導波体の、一部分断面した拡大斜視図であ
る。 10,16,21,32,35……構成部材、13,18,24,25,30,37……
光導波体、26,27,31……シース、Z1、Z2,Z3……引張応
力領域、40……光ファイバ、41……スリーブ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−17447（ＪＰ，Ａ) 米国特許4840480（ＵＳ，Ａ)

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも構成部材の長さの一部分に該構
    成部材と固定結合されており、かつ光導波体の透過性及
    び光導波体を貫通して送られる光パルスの走行時間及び
    ／又は減衰を常時及び／又は間欠的に検査する測定装置
    に接続された光導波体を用いて構成部材の変形を監視す
    る方法において、光導波体（13,18,24,25,30,37）に対
    して、それを構成部材（10,16,21,32,35）と固定結合す
    る前に、少なくとも応力が構成部材で予測される総ての
    変形の際に引張り範囲内に維持される程度にプレストレ
    スを与えることを特徴とする、光導波体で構成部材を監
    視する方法。
  2. 【請求項２】光導波体（24,25,30）を、構成部材（21,3
    2又は16）の内部又は外部に配置されかつ該構成部材と
    固定結合されたシース（26,27,31）内に敷設し、かつ光
    導波体（24,25,30）にシース（26,27,31）内で機械的に
    プレストレスを与えかつシース（26,27,31）を少なくと
    もその全長の一部分にある上記シース及び光導波体（2
    4,25,30）に付着する材料と一緒に圧縮することにより
    シース（26,27,31）と固定結合する、特許請求の範囲第
    １項記載の方法。
  3. 【請求項３】光導波体（30）を引張応力過程に追従して
    構成部材（32）の上に又はその内部に配置する、特許請
    求の範囲第１項又は第２項記載の方法。
  4. 【請求項４】光導波体（13,24,25,37）を、応力が作用
    する方向の構成部材（10,21,35）の主軸線に対して平行
    に該構成部材の外面又はその内部に配置する、特許請求
    の範囲第１項又は第２項記載の方法。
  5. 【請求項５】光導波体（24,25）を構成部材（21）の引
    張応力の領域（Z1,Z2,Z3）内でのみ該光導波体を包囲す
    るシース（26.27）と固定結合しかつその他の領域内で
    長手方向で可動にシース（26.27）内を案内する、特許
    請求の範囲第１項から第４項までのいずれか１項に記載
    の方法。
  6. 【請求項６】光導波体（13,18）に対してそれらの敷設
    位置でプレストレスを与えかつそれらの全長で構成部材
    と接着又はその材料内への埋設により結合させる、特許
    請求の範囲第１項から第５項までのいずれか１項に記載
    の方法。
  7. 【請求項７】少なくとも構成部材の長さの一部分に該構
    成部材と固定結合されており、かつ光導波体の透過性及
    び光導波体を貫通して送られる光パルスの走行時間及び
    ／又は減衰を常時及び／又は間欠的に検査する測定装置
    に接続された光導波体を用いて構成部材の変形を監視す
    る方法を実施するための光導波体であって、少なくとも
    １つの光ファイバを有し、該光ファイバがスリーブで包
    囲されている形式のものにおいて、光ファイバ（40）に
    それを包囲するスリーブ（41）に対してプレストレスが
    かけられてれおりかつ軸線方向の引張応力を受けてその
    全長でスリーブ（41）と結合されていることを特徴とす
    る光導波体。
  8. 【請求項８】光ファイバをリールから繰り出しかつスリ
    ーブ内に埋設し、該シースと光ファイバをその全長で結
    合させることにより、光ファイバ（40）にそれを包囲す
    るスリーブ（41）に対してプレストレスがかけられてお
    りかつ軸線方向の引張応力を受けてその全長でスリーブ
    （41）と結合されている光導波体を製造する方法におい
    て、リールに規定の制動をかけることにより、該リール
    から繰り出される光ファイバに所定の大きさの引張応力
    を発生させかつ該引張応力を、スリーブが硬化しかつ光
    ファイバと剥離不能になるまで維持することを特徴とす
    る、光導波体の製法。
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